深空光通信系统性能研究

蔡超

摘要：本文简单介绍了深空光通信系统中三种调制格式BPSK、DPSK和DQPSK的调制原理和调制格式，并通过光学仿真软件Optisystem完成三种光调制系统模型的搭建以及在线仿真。仿真结果表明，在三种调制方式中，光BPSK调制实现起来最为简单，光DQPSK调制的性能最稳定，但实现起来也最为复杂。

关键词：深空光通信 光调制 Optisystem 光功率谱

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0019-02

近年来，空间激光通信因其通信容量大、传输速率高、抗电磁干扰能力强、安全保密性好等优点受到了各国研究人员的广泛关注。深空光通信指利用激光束作为信息传输的载体，以大气为传输媒介在空间中直接进行语言、数据、图像等信息传输的通信方式，是目前通信领域的研究热点和前沿[1]。深空光通信系统主要由发射端、信道和接收端组成，发射端的作用是将要传输的信息调制到光波上并发射到信道中，因此采用的调制方式不同对深空光通信系统的性能影响很大。本文对深空光通信系统中的三种光调制格式BPSK、DPSK和DQPSK进行分析比较，且在新型光学仿真软件Optisystem平台下搭建了基于光BPSK、DPSK和DQPSK的自由空间光通信系统模型，并完成相应的仿真分析。

1 原理

1.1 光BPSK调制

二进制绝对移相键控（BPSK）是利用已调信号中载波的不同相位直接来表示数字基带信号。规定数字基带信号为”1”码时，已调信号与未调载波同相；数字基带信号为”0”码时，已调信号与未调载波反相[2]。数学式可写成（假设未调载波幅度为1，初相位为0）：

1.2 光DPSK调制

相对移相键控（DPSK），又称为差分相移键控。它是利用前后相邻码元之间已调信号中载波相位的相对变化来表示数字基带信号的，调制后的数字信息”1”代表前后码间相位不变，数字信息”0”代表前后码间相位差为[3]。若前后码元的相位差为，则调制后数字信息与相位差之间的关系式如下：

1.3 光DQPSK调制

四相相移键控（DQPSK） ，是四相位调制格式，输入信号先通过4个可能的相位变化（相邻码元间的相变）中的一个来编码，每个码元包含着一个相位信息，然后再对差分后的相位进行传输，是结合差分编码的QPSK编码方式[4]。

2 光调制系统

2.1 BPSK光调制系统

光BPSK调制是结构最简单的调相编码调制方式，BPSK光调制系统主要由半导体激光器、LiNbO3马赫-曾德尔电光相位调制器、光功率放大器等组成。首先单极性信号经过电平转换到合适电平后，变成双极性信号，经过电光调制器调制载波信号的相位，使载波信号的相位在0和180°之间变化，输出BPSK信号[6]。

2.2 DPSK光调制系统

DPSK光调制系统由半导体激光器、LiNbO3马赫-曾德尔电光相位调制器、差分编码器、射频驱动放大器、光功率放大器等组成。光DPSK调制是先把要传输的原始信息序列（绝对码）进行差分编码，编码后的信号即为相对码，编码信号经过驱动器的放大处理，加到调制器上，调制器将经过差分编码后的信源信号调制到光载波信号中，再经过光功率放大器送入信道。

2.3 DQPSK光调制系统

DQPSK是四相相移键控，它将信息编码于连续的光比特的差分相位中，DQPSK光调制系统由半导体激光器、LiNbO3马赫-曾德尔电光相位调制器、差分预编码器、驱动器、光功率放大器等组成。DQPSK信号的相位可以是中的任意一个。原始数据经过预编码后产生I和Q两路信号，它们将分别作为两个MZM的驱动信号，激光器产生的激光通过3dB光功率分离器后分别进入到两个MZM调制器进行相位调制，其中一个支路调制后的光信号要进行的相移，然后通过光功率耦合器与另一支路的光信号耦合，即通过并联MZM的方法实现了光DQPSK调制[5]。

3 Optisystem仿真分析

本文使用Optisystem仿真软件对三种不同调制方式的光调制系统进行仿真。其中伪随机序列的频率为10GHz，激光器光波长为1550nm，功率为45dBm。仿真结果如下：对于BPSK信号，调制后信号光功率谱如图1；对于DPSK信号，调制后信号光功率谱如图2；对于DQPSK信号，调制后信号光功率谱如图3。

在对BPSK光调制系统的搭建过程中发现BPSK光调制系统的搭建较为简单，但从光功率谱图可以看出，用BPSK调制方式调制的信号对于光功率谱的利用率不是很好；通过对DPSK光调制系统的搭建过程中可以看出DPSK光调制系统的搭建比BPSK复杂，但从光功率谱图可以看出，经过DPSK调制方式调制的信号功率谱利用率比光BPSK调制高，性能较平稳；在对DQPSK光调制系统的搭建过程中发现DQPSK光调制系统搭建的仿真平台最为复杂，因而实现起来也是很困难的，但在三种调制方式中，光DQPSK调制方式调制的信号功率谱特性最好，因而，基于DQPSK的相位调制方式性能是最佳的。

4 结语

本文研究和分析了由光BPSK、DPSK和DQPSK调制方案构成的深空光通信调制系统，并且在新型光学仿真软件 Optisystem上完成了对系统的仿真。通过仿真结果以及系统搭建过程中的复杂程度的对比，发现光BPSK调制方式实现起来最为简单；光DPSK调制实现起来比光BPSK调制方式复杂，但调制性能比光BPSK调制方式稳定，功率谱特性也比BPSK调制好；光DQPSK调制方式性能最优，功率谱特性最好，传输性能最平稳，但是搭建的仿真平台也最为复杂，因而实现起来也是最困难的。

参考文献

[1]陈晓娟，张衡，隋吉生.FSO通信系统接收性能的仿真研究[J].光通信技术，2011，35（06）：23-25.

[2]尚俊宇.采用高级调制格式FSO系统性能分析与仿真[D].北京邮电大学，2014.

[3]吴刚.DWDM网络中DPSK调制与解调系统的设计与实现[D].北京邮电大学，2013.

[4]张慧颖.自由空间光通信中DPSK和DQPSK研究和比较[J].光通信技术，2015，39（12）.

[5]刘慧洋，张晓光，许玮等.光DQPSK调制格式原理及仿真[J].光通信研究，2008（05）：1-3.

[6]顾畹仪.光纤通信系统[M].北京邮电大学出版社，1999.